动作捕捉浅析（一）——惯性动作捕捉
一、理论概述：
动作捕捉英文Motion capture,简称Mocap。技术涉及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面可以由计算机直接理解处理的数据。在运动物体的关键部位设置跟踪器，由Motion capture系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后向得到三维空间爱你坐标的数据。当数据被计算机识别后，可以应用在动画制作，步态分析，生物力学，人机工程等领域。
常用的运动捕捉技术从原理上说可分为惯性、光学式、声学式、电磁式。不同原理的设备各有其优缺点，一般可从以下几个方面进行评价：定位精度；实时性；使用方便程度；可捕捉运动范围大小；抗干扰性；多目标捕捉能力；以及与相应领域专业分析软件连接程度。
惯性式：主要工作原理是跟在人的身上主要的关键点绑定惯性陀螺仪，分析陀螺仪的位移变差来判定人的动作幅度和距离；
光学式：光学式运动捕捉通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。目前常见的光学式运动捕捉大多基于计算机视觉原理。从理论上说，对于空间中的一个点，只要它能同时为两部相机所见，则根据同一时刻两部相机所拍摄的图像和相机参数，可以确定这一时刻该点在空间中的位置。当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹；
声学式：常用的声学式运动捕捉装置由发送器、接收器和处理单元组成。发送器是一个固定的超声波发生器，接收器一般由呈三角形排列的三个超声探头组成。通过测量声波从发送器到接收器的时间或者相位差，系统可以计算并确定接收器的位置和方向。Logitech、SAC等公司都生产超声波运动捕捉设备；
电磁式：电磁式运动捕捉系统是目前比较常用的运动捕捉设备。一般由发射源、接收传感器和数据处理单元组成。发射源在空间产生按一定时空规律分布的电磁场；接收传感器（通常有10～20个）安置在表演者身体的关键位置，随着表演者的动作在电磁场中运动,通过电缆或无线方式与数据处理单元相连。
目前国内使用较多的两种技术为惯性和光学两种技术，所以我们在本文中所讨论的也就对这两种技术进行一下浅析。
二、惯性动作捕捉：
要了解惯性动作捕捉，我们就要首先了解它的重要部件—陀螺仪
陀螺仪：
简介
绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺(top)。通常所说的陀螺是特指对称陀螺，它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴。由苍蝇后翅（特化为平衡棒）仿生得来。
在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下，陀螺会在不停自转的同时，还绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进(precession)，又称为回转效应(gyroscopic effect)。陀螺旋进是日常生活中常见的现象，许多人小时候都玩过的陀螺就是一例。
人们利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪(gyroscope)，它在科学、技术、军事等各个领域有着广泛的应用。比如：回转罗盘、定向指示仪、炮弹的翻转、陀螺的章动、
地球在太阳（月球）引力矩作用下的旋进（岁差）等。
陀螺仪的种类很多，按用途来分，它可以分为传感陀螺仪和指示陀螺仪。传感陀螺仪用于飞行体运动的自动控制系统中，作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。指示陀螺仪主要用于飞行状态的指示，作为驾驶和领航仪表使用。
现在的陀螺仪分为，压电陀螺仪，微机械陀螺仪，光纤陀螺仪，激光陀螺仪，都是电子式的，可以和加速度计，磁阻芯片，GPS，做成惯性导航控制系统。
陀螺仪
结构
基本上陀螺仪是一种机械装置，其主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子，转子装在一支架内；在通过转子中心轴XX1上加一内环架，那么
陀螺仪就可环绕飞机两轴作自由运动；然后，在内环架外加上一外环架；这个陀螺仪有两个平衡环，可以环绕飞机三轴作自由运动，就是一个完整的太空陀螺仪(space gyro)。
历史
1850年法国的物理学家莱昂·傅科（J.Foucault）为了研究地球自转，首先发现高速转动中的转子（rotor），由于惯性作用它的旋转轴永远指向一固定方向，他用希腊字gyro（旋转）和skopein （看）两字合为gyro scopei 一字来命名这种仪表。
陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器，从第一台真正实用的陀螺仪器问世以来已有大半个世纪，但直到现也，陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研究，这是由于它本身具有的特性所决定的。陀螺仪最主要的基本特性是它的稳定性和进动性。人们从儿童玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒而保持与地面垂直，这就反映了陀螺的稳定性。研究陀螺仪运动特性的理论是绕定点运动刚体动力学的一个分支，它以物体的惯性为基础，研究旋转物体的动力学特性。
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陀螺仪原理
陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。我们骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒，因为车轴有一股保持水平的力量。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。
在现实生活中，陀螺仪发生的进给运动是在重力力矩的作用下发生的。
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陀螺仪特性
陀螺仪被广泛用于航空、航天和航海领域。这是由于它的两个基本特性：一为定轴性（inertia or
rigidity），另一是进动性（precession），这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。
定轴性
当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向；同时反抗任何改变转子轴向的力量。这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。其稳定性随以下的物理量而改变：
1、转子的转动惯量愈大，稳定性愈好；
2、转子角速度愈大，稳定性愈好。
所谓的“转动惯量”，是描述刚体在转动中的惯性大小的物理量。当以相同的力矩分别作用于两个绕定轴转动的不同刚体时，它们所获得的角速度一般是不一样的，转动惯量大的刚体所获得的角速度小，也就是保持原有转动状态的惯性大；反之，转动惯量小的刚体所获得的角速度大，也就是保持原有转动状态的惯性小。
进动性
当转子高速旋转时,若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。这种特性，叫做陀螺仪的进动性。进动角速度的方向取决于动量矩H的方向(与转子自转角速度矢量的方向一致)和外力矩M 的方向，而且是自转角速度矢量以最短的路径追赶外力矩。如右图。
进动方向
这可用右手定则判定。即伸直右手，大拇指与食指垂直，手指顺着自转轴的方向，手掌朝外力矩的正方向，然后手掌与4指弯曲握拳，则大拇指的方向就是进动角速度的方向。
进动角速度的大小取决于转子动量矩H的大小和外力矩M的大小,其计算式为=M/H。
进动性的大小也有三个影响的因素：
1、外界作用力愈大，其进动角速度也愈大；
2、转子的转动惯量愈大，进动角速度愈小；
3、转子的角速度愈大，进动角速度愈小。
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陀螺仪功能分类
利用陀螺仪的动力学特性制成的各种仪表或装置，主要有以下几种：
①陀螺方向仪。
能给出飞行物体转弯角度和航向指示的陀螺装置。它是三自由度均衡陀螺仪，其底座固连在飞机上，转子轴提供惯性空间的给定方向。若开始时转子轴水平放置并指向仪表的零方位，则当飞机绕铅直轴转弯时，仪表就相对转子轴转动，从而能给出转弯的角度和航向的指示。由于摩擦及其他
干扰，转子轴会逐渐偏离原始方向，因此每隔一段时间（如15分钟）须对照精密罗盘作一次人工调整。
②陀螺罗盘。
供航行和飞行物体作方向基准用的寻找并跟踪地理子午面的三自由度陀螺仪。其外环轴铅直，转子轴水平置于子午面内，正端指北；其重心沿铅垂轴向下或向上偏离支承中心。转子轴偏离子午面时同时偏离水平面而产生重力矩使陀螺旋进到子午面，这种利用重力矩的陀螺罗盘称摆式罗盘。近年来发展为利用自动控制系统代替重力摆的电控陀螺罗盘，并创造出能同时指示水平面和子午面的平台罗盘。[1]
③陀螺垂直仪。
利用摆式敏感元件对三自由度陀螺仪施加修正力矩以指示地垂线的仪表，又称陀螺水平仪。陀螺仪的
陀螺仪
壳体利用随动系统跟踪转子轴位置，当转子轴偏离地垂线时，固定在壳体上的摆式敏感元件输出信号使力矩器产生修正力矩，转子轴在力矩作用下旋进回到地垂线位置。陀螺垂直仪是除陀螺摆以外应用于航空和航海导航系统的又一种地垂线指示或量测仪表。
④陀螺稳定器。
稳定船体的陀螺装置。20世纪初使用的施利克被动式稳定器实质上是一个装在船上的大型二自由度重力陀螺仪，其转子轴铅直放置，框架轴平行于船的横轴。当船体侧摇时，陀螺力矩迫使框架携带转子一起相对于船体旋进。这种摇摆式旋进引起另一个陀螺力矩，对船体产生稳定作用。斯佩里主动式稳定器是在上述装置的基础上增加一个小型操纵陀螺仪，其转子沿船横轴放置。一旦船体侧倾，小陀螺沿其铅直轴旋进，从而使主陀螺仪框架轴上的控制马达及时开动，在该轴上施加与原陀螺力矩方向相同的主动力矩，借以加强框架的旋进和由此旋进产生的对船体的稳定作用。[2]
⑤速率陀螺仪。
用以直接测定运载器角速率的二自由度陀螺装置。把均衡陀螺仪的外环固定在运载器上并令内环轴垂
代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。
现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个简单的介绍可以看出，干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。
陀螺仪的基本类型
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陀螺仪的基本类型
根据框架的数目和支承的形式以及附件的性质决定陀螺仪的类型有：
三自由度陀螺仪(具有内、外两个框架，使转子自转轴具有两个转动自由度。在没有任何力矩装置时，它就是一个自由陀螺仪)。
二自由度陀螺仪(只有一个框架，使转子自转轴具有一个转动自由度)。
根据二自由度陀螺仪中所使用的反作用力矩的性质，可以把这种陀螺仪分成三种类型：
速率陀螺仪(它使用的反作力矩是弹性力矩)；
积分陀螺仪(它使用的反作用力矩是阻尼力矩)；
无约束陀螺(它仅有惯性反作用力矩)；
现在，除了机、电框架式陀螺仪以外，还出现了某些新型陀螺仪，如静电式自由转子陀螺仪，挠性陀螺仪，激光陀螺仪等。
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二自由度陀螺仪的基本特性
二自由度陀螺仪的转子支承在一个框架内，没有外框架，因而转子自转有一个进动自由度，即少了垂直于内框架轴和自转轴方向的转动自由度。因此二自由度陀螺仪与三自由度陀螺仪的特性也有所不同。
进动性是三自由度陀螺仪的基本特性之—，当绕内框架轴作用外力矩时，将使高速旋转的转子自转轴产生绕外框架轴的进动，而绕外框架轴作用外力矩时，将使转子轴产生绕内框架轴的进动。
定轴性是三自由度陀螺仪的另一基本特性。无论基座绕陀螺仪自转轴转动，还是绕内框架轴或外框架轴方向转动，都不会直接带动陀螺转子一起转动(指转子自转之外的转动)。由内、外框架所组成的框架装置，将基座的转动与陀螺转子隔离开来。这样，如果陀螺仪自转轴稳定在惯性空间的某个方位上，当基座转动时，它仍然稳定在原来的方位上。
对于二自由度陀螺仪，当基座绕陀螺仪自转轴或内框架轴方向转动时，仍然不会带动转子一起转动，即内框架仍然起隔离运动的作用。但是，当基座绕陀螺仪缺少自由度的x轴方向以角速度ωx 转动时，由于陀螺仪绕该轴没有转动自由度，所以基座转动时，就通过内框架轴上的一对支承带动
陀螺转子一起转动。但陀螺仪自转轴仍尽力保持其原来的空间方位不变。因此，基座转动时，内框架轴上的一对支承就有推力F作用在内框架轴的两端，而形成作用在陀螺仪上的推力矩mx, 其方向垂直于动量矩H，并沿x铀正向。由于陀螺仪绕内框架轴有转动的自由度，所以这个推力矩就使陀螺仪产生绕内框架轴的进动，进动角速度β指向内框架轴y的正向，使转子轴趋向与x轴重合。
因此，当基座绕陀螺仪缺少自由度的方向转动时，将强迫陀螺仪跟随基座转动，同时陀螺仪转子轴绕内框架轴进动。结果使转子轴趋向与基座转动角速度的方向重合。即二自由度陀螺仪具有敏感绕其缺少转动自由度方向旋转角速度的特性。
二自由度陀螺仪受到沿内框架轴向外力矩作用时，转子轴绕内框轴运动。
沿内框架轴向作用力矩时转子轴的运动。设沿内框架铀y的正向有外力矩My作用，则二自由度陀螺仪的转子轴将力图以角速度My／H绕x轴的负向进动，如图3所示。由于陀螺转子轴绕x 轴方向不能转动，这个进动是不可能实现的。但其进动趋势仍然存在，并对内框架轴两端的支承施加压力，这样，支承就产生约束反力F作用在内框架轴两端，而形成作用在陀螺仪上的约束反力矩mx，其方向垂直于动量矩H并沿x轴的正向。由于转子轴绕内框架轴存在转动自由度，所以在这个约束反力矩mx的作用下，陀螺仪转子轴就绕内框架轴以β的角速度沿y轴正向进动。简单地说，如果陀螺绕x轴方向不能转动，那么在绕内框架轴向的外力矩作用下，陀螺仪的转子轴也绕内框架轴转动。
陀螺绕主轴转动的角动量以H表示，H=JsΩ，式中Js为陀螺转子的转动惯量。
了解完陀螺仪后我们来了解一下一个惯性动作捕捉包含几个部分：
a) 传感器
所谓传感器是固定在运动物体特定部位的跟踪装置，它将向动作捕捉系统提供运动物体运动的位置信息，一般会随着捕捉的细致程度确定跟踪器的数目（陀螺仪）。
b) 信号捕捉设备
这种设备会因动作捕捉系统的类型不同而有所区别，它们负责位置信号的捕捉。
c) 数据传输设备
动作捕捉系统，特别是需要实时效果的动作捕捉系统需要将大量的运动数据从信号捕捉设备快速准确地传输到计算机系统进行处理，而数据传输设备就是用来完成此项工作的。
d) 数据处理设备
经过动作捕捉系统捕捉到的数据需要修正、处理后还要有三维模型向结合才能完成计算机动画制作的工作，这就需要我们应用数据处理软件或硬件来完成此项工作。软件也好硬件也罢它们都是借助计算机对数据高速的运算能力来完成数据的处理，使三维模型真正、自然地运动起来。
我来看一个实际的动作捕捉系统，来分析一下这个四个部分的主要形式：
以3DSuit为例，下图为一套完整的动作捕捉套装
图中所标注的“a”即为传感器也就是我们上面说的陀螺仪，图中标注的“b”即为我们所说的信号捕捉设备，因为这套动作捕捉系统在传输上使用的是无线蓝牙技术，其蓝牙模块和信号捕捉设备集成在一起就不单独标注了。3DSuit和MAYA、3D MAX等多款软件有接口所以就不用单独的使用其它软件来进行数据的处理了。
惯性动作捕捉的应用：
虚拟现实系统
为实现人与虚拟环境及系统的交互，必须确定参与者的头部、手、身体等的位置与方向，准确地跟踪测量参与者的动作，将这些动作实时检测出来，以便将这些数据反馈给显示和控制系统。这些工作对虚拟现实系统是必不可少的，这也正是运动捕捉技术的研究内容。
机器人遥控
机器人将危险环境的信息传送给控制者，控制者根据信息做出各种动作，运动捕捉系统将动作捕捉下来，实时传送给机器人并控制其完成同样的动作。与传统的遥控方式相比，这种系统可以实现更为直观、细致、复杂、灵活而快速的动作控制，大大提高机器人应付复杂情况的能力。在当前机器人全自主控制尚未成熟的情况下，这一技术有着特别重要的意义。
互动式游戏
可利用运动捕捉技术捕捉游戏者的各种动作，用以驱动游戏环境中角色的动作，给游戏者以一种全新的参与感受，加强游戏的真实感和互动性。
体育训练
运动捕捉技术可以捕捉运动员的动作，便于进行量化分析，结合人体生理学、物理学原理，研究改进的方法，使体育训练摆脱纯粹的依靠经验的状态，进入理论化、数字化的时代。还可以把成绩差的运动员的动作捕捉下来，将其与优秀运动员的动作进行对比分析，从而帮助其训练。
另外，在人体工程学研究、模拟训练、生物力学研究等领域，运动捕捉技术同样大有可为。
可以预计，随着技术本身的发展和相关应用领域技术水平的提高，运动捕捉技术将会得到越来越广泛的应用。
三、品牌产品;
在惯性动作捕捉系统内比较公认的牌子有：Xsens Moven、Animazoo Gypsy、Measurand 、Animazoo IGS还有我们文中提到的3D Suit。更多的关于惯性动作捕捉品牌的信息还型号以及实际案例的分享大家可以登录搜维尔（https://www.doczj.com/doc/ee17420555.html,）官网来查看。我们下一次来分析光学动作捕捉系统。
感谢为本文提供设备3D suit和技术支持的搜维尔
Animazoo IGS-180/180i物理惯性动作捕捉系统 产品概述 Animazoo IGS-180/180i物理惯性动作捕捉系统配有18个小型快速串连陀螺仪。性能灵活，对快速动作和细微动作都可捕捉 1、陀螺仪速度快、重量轻 2、数据品质达到专业生产级水平 3、便于携带、使用简单 简单易用 Animazoo IGS-180/180i物理惯性动作捕捉系统采用莱卡布传感器服，具有结实耐用、重量轻、穿戴舒适的特点，产品还采用了成熟技术的陀螺仪技术。该产品经过出厂校准，第一次使用该产品的用户可在30分钟之内安装完毕，并开始数据捕捉。此外，该产品具有很好的便携特性，用户可以把产品带到任何环境中使用。
数据 Animazoo IGS-180/180i物理惯性动作捕捉系统可提供高精度细微丰富动作捕捉数据，成本低廉，是专业人士和高等教育机构的理想选择。 Animazoo IGS-180/180i物理惯性动作捕捉系统不会出现标记物阻挡或错位的问题，同时具备无线数据连接的全部优点。 功能齐全 Animazoo IGS-180/180i物理惯性动作捕捉系统的数据可以通过Animazoo操作系统进行捕捉，捕捉速率为每秒120帧。 借助Animazoo功能强大的驱动程序和插件，用户可以把捕捉数据导入到MotionBuilder、Maya、3D Studio Max、Blender等常用动画制作软件中进行编辑，此外还配有MotionBuilder、 Siemens Jack、UDK和Unity几款软件的实时驱动程序。 兼容性
提供以下软件的实时驱动程序： MotioBuilder Maya 3DS Blender Siemens UGS Jack 应用范围 适用于3D角色动画、人体姿态模拟、虚拟模型、运动及医疗分析、生物力学分析、游戏互动、高等教育机构等诸多领域。 技术特征 数据品质专业 陀螺仪速度快、重量轻 便于携带、使用简单 采用莱卡布传感器服，结实耐用、重量轻、穿戴舒适 不会出现标记物阻挡或错位的问题，同时具备无线数据连接的优点 特殊应用 目前在真实车辆中对驾驶员动作的实时捕捉是一个重大难题，从光学到电磁式动作捕捉目前都无法有效克服技术本身缺点。而Animazoo IGS-180i物理惯性动作捕捉系统可实现全真驾驶动作的实时捕捉。
运动和力 一、本节学习指导 本节开始我们学习运动和力的关系。这一节中我们学习牛顿第一定律、摩擦力的相关概念，本节中我们把重点放在概念上，同学们要多思考。 二、知识要点 1、牛顿第一定律（又叫惯性定律）【重点】 定律内容：一切物体在没有受外力的作用时，总保持静止或匀速直线运动状态。 注：牛顿第一定律是通过分析事实，再进一步概括、推理得出的，它不可能用实验来直接验证这一定律，但从定律得出的一切推论都经受住了实践的考验。牛顿第一定律也可以说成：物体在受外力之和为零时，总保持静止或匀速直线运动状态。 2、惯性【重点】 （1）定义：物体保持原来运动状态不变的特性叫惯性 （2）性质：惯性是物体本身固有的一种属性。一切物体任何时候、任何状态下都有惯性。惯性不是力，不能说惯性力的作用，惯性的大小只与物体的质量有关，与物体的速度、物体是否受力等因素无关。物体质量就有惯性。 注：如何理解惯性是物体本身的性质呢，其实很简单，我们把它想成是与生俱来、天生的。不会因为时间、地点等改变改变的性质。就像老虎的本性咬人一样，把它运到北京、运到美国它也咬人。在物理概念中“电阻”是导线固有的性质，不会随电流，电压的改变而改变，和惯性很相像。 （3）防止惯性的现象：汽车安装安全气襄，汽车安装安全带；利用惯性的现象：跳远助跑可提高成绩，拍打衣服可除尘 （4）解释现象： 例：汽车突然刹车时，乘客为何向汽车行驶的方向倾倒？ 答：汽车刹车前，乘客与汽车一起处于运动状态，当刹车时，乘客的脚由于受摩擦力作用，随汽车突然停止，而乘客的上身由于惯性要保持原来的运动状态，继续向汽车行驶的方向运动，所以乘客向汽车行驶的方向倾倒。
惯性导航作业
一、数据说明： 1：惯导系统为指北方位的捷连系统。初始经度为116.344695283度、纬度为39.975172度,高度h为30米。初速度 v0=[-9.993908270;0.000000000;0.348994967]。 2：jlfw中为600秒的数据，陀螺仪和加速度计采样周期分别为为1/100秒和1/100秒。 3：初始姿态角为[2 1 90]（俯仰，横滚，航向,单位为度）,jlfw.mat中保存的为比力信息f_INSc(单位m/s^2)、陀螺仪角速率信息wib_INSc(单位rad/s)，排列顺序为一~三行分别为X、Y、Z向信息. 4: 航向角以逆时针为正。 5:地球椭球长半径re=6378245;地球自转角速度wie=7.292115147e-5;重力加速度g=g0*(1+gk1*c33^2)*(1-2*h/re)/sqrt(1-gk2*c33^2)； g0=9.7803267714;gk1=0.00193185138639;gk2=0.00669437999013;c33=sin(lat纬度); 二、作业要求： 1：可使用MATLAB语言编程，用MATLAB编程时可使用如下形式的语句读取数据：load D:\...文件路径...\jlfw,便可得到比力信息和陀螺仪角速率信息。用角增量法。 2：(1) 以系统经度为横轴，纬度为纵轴（单位均要转换为：度）做出系统位置曲线图； (2) 做出系统东向速度和北向速度随时间变化曲线图（速度单位：m/s，时间单位：s）； (3) 分别做出系统姿态角随时间变化曲线图（俯仰，横滚，航向,单位转换为：度，时间单位：s）； 以上结果均要附在作业报告中。 3：在作业报告中要写出“程序流程图、现阶段学习小结”，写明联系方式。
三种动作捕捉系统解决方案的对比分析 2016年，全球范围内VR商业化、普及化的浪潮正在向我们走来。VR是一场交互方式的新革命，人们正在实现由界面到空间的交互方式变迁，这样的交互极其强调沉浸感，而用户想要获得完全的沉浸感，真正“进入”虚拟世界，动作捕捉系统是必须的，可以说动作捕捉技术是VR产业隐形钥匙。 目前动作捕捉系统有惯性式和光学式两大主流技术路线，而光学式又分为标定和非标定两种。那么我们可以将动作捕捉系统分为以下三大主类：基于计算机视觉的动作捕捉系统（光学式非标定）、基于马克点的光学动作捕捉系统（光学式标定）和基于惯性传感器的动作捕捉系统（惯性式）。接下来我们对这三种形式的动作捕捉系统进行简单的解析。 1.基于计算机视觉的动作捕捉系统 该类动捕系统比较有代表性的产品分别有捕捉身体动作的Kinect，捕捉手势的Leap Motion 和识别表情及手势的RealSense实感。 该类动捕系统基于计算机视觉原理，由多个高速相机从不同角度对目标特征点的监视和跟踪来进行动作捕捉的技术。理论上对于空间中的任意一个点，只要它能同时为两部相机所见，就可以确定这一时刻该点在空间中的位置。当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。这类系统采集传感器通常都是光学相机，基于二维图像特征或三维形状特征提取的关节信息作为探测目标。 基于计算机视觉的动作捕捉系统进行人体动作捕捉和识别，可以利用少量的摄像机对监测区域的多目标进行监控，精度较高；同时，被监测对象不需要穿戴任何设备，约束性小。然而，采用视觉进行人体姿态捕捉会受到外界环境很大的影响，比如光照条件、背景、遮挡物和摄像机质量等，在火灾现场、矿井内等非可视环境中该方法则完全失效。另外，由于视觉域的限制，使用者的运动空间被限制在摄像机的视觉范围内，降低了实用性。 2.基于马克点的光学动作捕捉系统
基础过关 1.下列关于牛顿第一定律的说法中，正确的是（） A．它表明了力是维持物体运动状态的原因 B．牛顿第一定律是经过数学推理计算得到的 C．牛顿第一定律是在实验中直接得出的结论 D．牛顿第一定律的得出采用了实验和科学推理相结合的方法 2．（2011?天津模拟）关于牛顿第一定律，下列说法中正确的是（）A．牛顿第一定律是在伽利略“理想实验”的基础上总结出来的 B．不受力作用的物体是不存在的，故牛顿第一定律的建立毫无意义 C．牛顿第一定律表明，物体只有在不受外力作用时才具有惯性 D．牛顿第一定律表明，物体只有在静止或做匀速直线运动时才具有惯性 3．若物体不受任何外力作用，则该物体（） A．一定做匀速直线运动 B．运动状态可能发生发改变 C．一定静止D．可能做匀速直线运动，可能静止 4．（2011?黄石）下列关于惯性的说法正确的是（） A．高速行驶的火车不容易停下来，说明速度越大惯性越大 B．跳高运动员助跑起跳是为了增大惯性 C．羽毛球容易被扣杀是因为它的惯性小 D．宇宙飞船在太空中运行时没有惯性 5．（2007?闵行区二模）关于惯性下列说法正确的是（） A．物体在静止时不易推动，所以物体在静止时比运动时惯性大 B．当物体没有受到力的作用时，能保持静止状态，所以物体不受力时才有惯性 C．物体高速运动时不容易停下来，所以物体速度越大、惯性越大 D．惯性是物体固有属性，任何物体在任何情况下，都具有惯性 6．（2008?吴中区模拟）目前人类发射的探测器已飞出了太阳系，正往更远的太空飞去，如果探测器所受外力全部消失，那么探测器将（） A．沿原路径返回地球 B．沿原方向做减速直线运动 C．立刻静止D．沿原方向做匀速直线运动 7．（2013?温州）如图1是小明自创的”大炮”示意图．当瓶内产生的气体增多时，瓶塞会水平向右冲出，若此时所有外力全部消失，瓶塞将（） A．立即沿竖直方向下落到地面上 B．向上运动 C．水平向右作匀速直线运动D．立即静止图1 8．（2013?广州）忽略一切阻力，原静止在水平面上的大石头被另一块小石头水平撞击，大石头的运动情况是（） A．始终静止不动 B．动了一点点，很快停下来 C．撞击时开始运动，然后慢慢停下来 D．撞击时开始运动，然后做匀速直线运动9．（2007?银川）下列事例中，属于防止惯性的是（） A．跳远运动员在起跳前要助跑B．为了安全行驶，汽车不能超载 C．拍打衣服，可以把衣服上的尘土拍掉D．停止蹬自行车后，车仍能前进一段距离10．（2012?济南）由图2可知：驾驶员和前排乘客必须使用安全带！小刚用下面的四句话解释了安全带的作用：①撞向挡风玻璃造成伤害，系上安全带就可有效避免这种伤害．②当驾驶员驾车高速行驶时，发现前面出现情况紧急刹车．③驾驶员由于具有惯性，仍然保持向前运动的状态．④汽车滑行
惯性导航技术综合实验 实验五惯性基组合导航及应用技术实验
惯性/卫星组合导航系统车载实验 一、实验目的 ①掌握捷联惯导/GPS组合导航系统的构成和基本工作原理； ②掌握采用卡尔曼滤波方法进行捷联惯导/GPS组合的基本原理； ③掌握捷联惯导 /GPS组合导航系统静态性能； ④掌握动态情况下捷联惯导 /GPS组合导航系统的性能。 二、实验内容 ①复习卡尔曼滤波的基本原理（参考《卡尔曼滤波与组合导航原理》第二、五章）； ②复习捷联惯导/GPS组合导航系统的基本工作原理（参考以光衢编著的《惯性导航原理》第七章）； 三、实验系统组成 ①捷联惯导/GPS组合导航实验系统一套； ②监控计算机一台。 ③差分 GPS接收机一套； ④实验车一辆； ⑤车载大理石平台； ⑥车载电源系统。 四、实验内容 1）实验准备 ①将IMU紧固在车载大理石减振平台上，确认IMU的安装基准面紧靠实验平台； ②将IMU与导航计算机、导航计算机与车载电源、导航计算机与监控计算
机、GPS 接收机与导航计算机、GPS 天线与GPS 接收机、GPS 接收机与GPS 电池之间的连接线正确连接； ③ 打开GPS 接收机电源，确认可以接收到4颗以上卫星； ④ 打开电源，启动实验系统。 2） 捷联惯导/GPS 组合导航实验 ① 进入捷联惯导初始对准状态，记录IMU 的原始输出，注意5分钟内严禁移动实验车和IMU ； ② 实验系统经过5分钟初始对准之后，进入导航状态； ③ 移动实验车，按设计实验路线行驶； ④ 利用监控计算机中的导航软件进行导航解算，并显示导航结果。 五、 实验结果及分析 (一) 理论推导捷联惯导短时段（1分钟）位置误差，并用1分钟惯导实验数据验证。 1、一分钟惯导位置误差理论推导： 短时段内（t<5min ），忽略地球自转0ie ω=，运动轨迹近似为平面1/0R =，此时的位置误差分析可简化为： （1） 加速度计零偏?引起的位置误差：2 10.88022t x δ?==m （2） 失准角0φ引起的误差：2 02 0.92182g t x φδ==m （3） 陀螺漂移ε引起的误差：3 30.01376 g t x εδ==m 可得1min 后的位置误差值123 1.8157m x x x x δδδδ=++= 2、一分钟惯导实验数据验证结果： （1）纯惯导解算1min 的位置及位置误差图：
系统组成如下： （1）动力系统（蓄电池组、直流无刷电机）； （2）传动系统（轮边减速器）： （3）行走系统（轮胎、前车架、后车架、摆动架）： （4）转向系统（电动推杆，铰接体）： （5）通信系统（车载无线AP、网络交换机、遥控装置接收器）； （6）信息采集系统（激光雷达、里程计、惯性导航模块、转角传感器）：（7）控制系统（主控制器、信号采集控制器、DSP电机驱动控制器）： （8）遥控系统（工业遥控器）动力系统由蓄电池组构成（24V蓄电池组2组，48V蓄电池组1组），作为整车的动力源以及控制电源。四轮独立驱动，动力分别由四个轮边电机经过轮边减速器传递到车轮。 行走系统由前后两个车架组成，车架由槽钢焊接，前后车架通过较接体与摆动架相连，可以实现车体的转向和摆动。 转向系统采用电动推杆（带有减速机构的直流无刷电机）代替转向油缸实现转向。 信息采集系统的构成与实车相同，包括激光雷达、里程计、转角传感器、惯性导航模块等，同样为了实现信息采集从而获取地面信息以及车体位姿信息。 通信系统的构成与实车相同，包括车载无线AP、网络交换机、遥控装置接收器，采用CAN总线和以太网通信，同样为了实现各个系统之间的数据交控制系统采用工控机以及信号采集控制器、DSP电机驱动控制器来实现模型样机的遥控操作以及无人驾驶。跟实车有所不同的是采用DSP电机驱动控制器取代了实车的执行控制器PLC，原因是DSP在对行驶驱动电机和转向电动推杆的控制上比执行控制器PLC更为方便。 1动力系统 地下铰接式自卸车实车采用柴油机作为动力源，而模型样机则采用蓄电池组作为动力源。 本文的研究目的是验证路径跟踪以及速度决策算法，作为研究对象的实车和模型样机均采用铰接转向与电传动结构，在运动关系上相同，所以动力源的不
基于运动规划的惯性导航系统动态实验 二零一三年六月十日
实验4.1 惯性导航系统运动轨迹规划与设计实验 一、实验目的 为进行动态下简化惯性导航算法的实验研究，进行路径和运动状态规划，以验证不同运动状态下惯导系统的性能。通过实验掌握步进电机控制方法，并产生不同运动路径和运动状态。 二、实验内容 学习利用6045B 控制板对步进电机进行控制的方法，并控制电机使运动滑轨产生定长运动和不同加速度下的定长运动。 三、实验系统组成 USB_PCL6045B 控制板（评估板）、运动滑轨和控制计算机组成。 四、实验原理 IMU安装误差系数的计算方法 USB_PCL6045B 控制板采用了USB 串行总线接口通信方式，不必拆卸计算机箱就可以在台式机或笔记本电脑上进行运动控制芯片PCL6045B 的学习和评估。 USB_PCL6045B 评估板采用USB 串行总线方式实现评估板同计算机的数据交换，由评估板的FIFO 控制回路完成步进电机以及伺服电机的高速脉冲控制，任意2 轴的圆弧插补，2-4 轴的直线插补等运动控制功能。USB_PCL6045B 评估板上配置了全部PCL6045B 芯片的外部信号接口和增量编码器信号输入接口。由 USB_PCL6045B 评估测试软件可以进行PCL6045B 芯片的主要功能的评估测试。
图4-1-1USB_PCL6045B 评估板原理框图 如图4-1-1 所示，CN11 接口主要用于外部电源连接，可以选择DC5V 单一电源或DC5V/24V 电源。CN12 接口是USB 信号接口，用于USB_PCL6045B 评估板同计算机的数据交换。 USB_PCL6045B 评估板已经完成对PCL6045B 芯片的底层程序开发和硬件资源与端口的驱动，并封装成156 个API 接口函数。用户可直接在VC 环境下利用API 接口函数进行编程。 五、实验内容 1、操作步骤 1）检查电机驱动电源（24V） 2）检查USB_PCL6045B 控制板与上位机及电机驱动器间的连接电缆 3）启动USB_PCL6045B 控制板评估测试系统检查系统是否正常工作。 4）运行编写的定长运动程序，并比较实际位移与设定位移。
惯性导航基础课程大作业报告（一）光纤陀螺误差建模与分析 班级：111514 姓名： 学号 2014年5月26日
一.系统误差原理图 二.系统误差的分析 （一）漂移引起的系统误差 1. εx ，εy ，εz 对东向速度误差δVx 的影响 clc;clear all; t=1:0.01:25; g=9.8; L=pi/180*39; Ws=2*pi/84.4*60; Wie=2*pi/24; R=g/(Ws)^2; e=0.1*180/pi; mcVx1=e*g*sin(L)/(Ws^2-Wie^2)*(sin(Wie*t)-Wie*sin(Ws*t)/Ws); mcVx2=e*((Ws^2-(Wie^2)*((cos(L))^2))/(Ws^2-Wie^2)*cos(Ws*t)-(Ws^2)*((sin(L))^2)*cos(Wi e*t)/(Ws^2-Wie^2)-(cos(L))^2); mcVx3=(sin(L))*(cos(L))*R*e*((Ws^2)*cos(Wie*t)/(Ws^2-Wie^2)-(Wie^2)*cos(Ws*t)/(Ws^2-Wi e^2)-1); plot(t,[mcVx1',mcVx2',mcVx3']); title('Ex,Ey,Ez 对Vx 的影响'); xlabel('时间t'); ylabel('Vx(t)'); 0,δλδL ,v v δδ
legend('Ex-mcVx1','Ey-mcVx2','Ez-mcVx3'); grid; axis square; 分析：εx，εy，εz对东向速度误差δVx均有地球自转周期的影响，εx，εy还会有舒勒周期分量的影响，其中，εy对δVx的影响较大。 2.εx，εy，εz对东向速度误差δVy的影响 clc;clear all; t=1:0.01:25; g=9.8; L=pi/180*39; Ws=2*pi/84.4*60; Wie=2*pi/24; R=g/(Ws)^2; e=0.1*180/pi; mcVy1=e*g*(cos(Wie*t)-cos(Ws*t))/(Ws^2-Wie^2); mcVy2=g*sin(L)*e/(Ws^2-Wie^2)*(sin(Wie*t)-Wie/Ws*sin(Ws*t)); mcVy3=g*cos(L)*e/(Ws^2-Wie^2)*(sin(Wie*t)-Wie/Ws*sin(Ws*t)); plot(t,[mcVy1',mcVy2',mcVy3']); title('Ex,Ey,Ez对Vy的影响'); xlabel('时间t'); ylabel('Vy(t)'); legend('Ex-mcVy1','Ey-mcVy2','Ez-mcVy3'); grid; axis square;
新生研讨课报告题目：动作捕捉技术原理探究 院（系）计算机科学与技术学院 专业计算机类 学生杨义威 学号1160300804 班号1603008 指导教师杨明 日期2017.4
动作捕捉技术 一．动作捕捉技术及背景 ◆动作捕捉 动作捕捉英文Motion capture,简称Mocap。技术涉及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面可以由计算机直接理解处理的数据。在运动物体的关键部位设置跟踪器，由Motion capture系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后得到三维空间坐标的数据。当数据被计算机识别后，可以应用在动画制作，步态分析，生物力学，人机工程等领域。 2012年由詹姆斯·卡梅隆导演的电影《阿凡达》全程运用动作捕捉技术完成，实现动作捕捉技术在电影中的完美结合，具有里程碑式的意义。 [1]其他运用动作捕捉技术拍摄的著名电影角色还有《猩球崛起》中的猩猩之王凯撒，以及动画《指环王》系列中的古鲁姆，都为动作捕捉大师安迪·瑟金斯饰演[2]。2014年8月14日，由梦工厂制作的全息动作捕捉动画电影《驯龙高手2》在中国大陆上映。 除了电影之外，动作捕捉在游戏领域也应用的极为广泛，诸如《光晕：致远星》、《神鬼寓言3》、《全面战争：幕府将军2》、《狙击精英V2》等主机游戏都应用了动作捕捉技术。 ◆背景 动作捕捉的起源普遍被认为是费舍尔（Fleischer）在1915年发明的影像描摹（rotoscope）。这是一个在动画片制作中产生出的一种技术。艺术家通过精细的描绘播放给他们的真人录影片段当中的每一帧静态画面来模拟出动画人物在虚拟世界中的具备真实感的表演。这个过程本身是
牛顿第一定律和惯性 第五节牛顿第一定律——惯性（一）教学目的1．知道什么是惯性，认识一切物体都有惯性．2．会用物体的惯性解释惯性现象，培养学生的语言表述能力．3．通过惯性现象，向学生进行交通安全教育．（二）教具惯性球、惯性小车和木块．（三）教学过程一、复习提问牛顿第一定律的内容是什么？二、惯性教师：从牛顿第一定律知道，任何物体都具有保持静止状态或保持匀速直线运动状态的性质，这种性质叫做惯性．也可以说物体有保持运动状态不变的性质叫惯性．牛顿第一定律也叫惯性定律．这里提出了一切物体都有惯性，物体在任何情况下都有惯性．三、惯性现象教师：一切物体都有惯性．下面我们做几个表现物体具有惯性的有趣实验．1．惯性小球实验我们把一个小球稳稳地放在小木片上，用弹簧片迅速地把小木片弹出去，注意观察发生的现象．（演示）小木片弹出去后，小球落在了原处．大家都知道这是由于小球有惯性．但是如何用简单明了的语言解释这个现象呢？我们用惯性解释物理现象，必须抓住惯性的实质．惯性的实质是物体有保持原有的运动状态不变的性质，所以我们必须认清物体原有的运动状态．以小球为例，木片被弹出去之前，小球处于静止状态．小球由于有惯性，还应保持原有的静止状态，所以小球落在原处．简言之，物体原来是什么状态，由于有惯性，它要保持什么状态，这是解释惯性现象的关键．2．钢笔帽的惯性
实验．教师示范：拿一个小纸条放在桌边上，在纸条上压一个立着放的钢笔帽，将纸条迅速抽出，钢笔帽不倒．（学生操作）教师提问：请大家解释当纸条抽出时，笔帽为什么不倒？（学生回答，教师讲评）钢笔帽是静止的．当纸条迅速抽出时，由于笔帽有惯性，还要保持静止状态，所以笔帽不倒．3．刹车时的惯性现象教师：我们在小车上立一个木块，使小车和木块一起运动，小车突然停住时会发生什么现象？（演示，并请学生解释，教师讲评）教师：刹车前木块和小车一起运动．刹车时，木块底部和小车都停住了，但是由于有惯性，木块上部还要保持向前运动，所以木块向前倾倒．这个实验再现了汽车紧急刹车时乘客向前倒这一普遍现象．4．汽车起动发生的惯性现象教师：请大家解释汽车起动时乘客为什么向后倾倒？（学生回答：教师讲评）四、学生练习1．章后习题1（教师讲评从略）2．章后习题4（教师讲评从略）3．习题3（教师讲评从略）4．习题2（学生答）教师：飞机投掷物体前，被投掷物跟飞机一起运动．投掷物离开飞机后由于惯性仍要向前保持匀速直线运动．可是被投掷物受重力作用，它向前运动的同时还要向下落，物体的实际下落轨道是一抛物线．所以必须提前投掷．飞机速度越大，高度越大，提前量也应该越大．飞机投弹也遵循这个规律．5．节后练习4（学生答）教师：跳远运动员起跳前经过了一段距离的助跑，踏跳时具有较大的水平向前的速度．由于人有惯性，踏跳后还要向前继续用较大的速度运动，这样可以跳的更远些．事实证明，跳远运动
最优估计大作业 姓名：李海宝 学号：S314040186 导师：刘胜 专业：控制科学与工程
模糊逻辑卡尔曼滤波器在智能AUV导航系统中的自适应调 整 摘要 本论文基于全球定位系统（GPS）和几个惯性导航系统（INS）传感器描述了对于自主水下航行器（AUV）应用的一种智能导航系统的执行过程。本论文建议将简单卡尔曼滤波器（SKF）和扩展卡尔曼滤波器（EKF）一前一后地用于融合INS 传感器的数据并将它们与GPS数据结合到一起。传感器噪声特性里潜在的变化会引起SKF和EKF的初始统计假定的调整，本论文针对这一问题着重突出了模糊逻辑方法的使用。当这种算法包含实际传感器噪特性的时候，SKF和EKF只能维持他们的稳定性和性能，因此我们认为这种自适应机制同SKF与EKF一样有必要。此外，在提高导航系统的可靠性融合过程期间，故障检测和信号恢复算法也需在此要讨论。本论文建议的这种算法用于使真实的实验数据生效，这些数据都是从Plymouth大学和Cranfield大学所做的一系列AUV实验(运行低成本的锤头式AUV)中获得的。 关键词：自主水下航行器；导航；传感器融合；卡尔曼滤波器；扩展卡尔曼滤波器；模糊逻辑 1.引言 对于以科学、军事、商业为目的应用，如海洋勘察、搜索未爆弹药和电缆跟踪检查，AUV的发展需要相应导航系统的发展。这样的系统提供航行器位置和姿态的数据是很有必要的。在这样的系统中对精度的要求是最重要的：错误的位置和姿态数据会导致收集数据的一个毫无意义的解释，或者甚至AUV的一个灾难性故障。 越来越多来自整个世界的研究团队正利用INS和GPS来研发组合导航系统。然而，他们的工作中几乎都没有明确几个INS传感器融合的本质要求，这些传感器用于确保用户保持精度或甚至用来防止在与GPS融合之前导航系统这部分的完全失败。例如，金赛和惠特科姆（2003）使用一个切换机制来防止INS的完全失败。虽然这个方法简单易行，但是可能不适合用于维持一个确定的精度等级。 出于多传感器数据融合和集成的目的，几种估计方法在过去就已经被使用过。为此，SKF/EKF和它们的变形在过去就已经是流行的方法，并且一直到现在都对开发算法感兴趣。然而，在设计SKF/EKF过程中，一个显著的困难经常会被
牛顿第一定律惯性平衡力 班级：姓名： 一、知识梳理 （研究对象）原来….，突然….，由于惯性，物体要保持原来xx运动状态，所以……。
二、经典例题 1. 牛顿第一定律： 例1.为了探究不同阻力对物体运动的影响，小敏进行了如下实验(如图所示)：在水平放置的木板上铺上粗糙程度不同的毛巾、棉布，让同一辆小车由同一斜面上，分别从A、B、C 处静止开始滑下，观察小车在不同水平面上运动的距离并记录在下表中，实验重复三次。 (1)实验中，使小车从斜面的相同高度由静止下滑，目的是______________________________。 (2)利用这些实验数据，目的是为了比较小车____________________________________。 (3)实验结果能证明____________(填序号)。 A. 物体运动需要力 B. 力可以改变物体的运动状态 C. 牛顿第一定律 2. 惯性 例2. 如图，将一只小球竖直向上抛出，小球先后经过A、B两个位置。 已知小球A、B两个位置的速度分别为2m/s、0。 (1)如果小球向上运动到达A点时，一切外力突然消失，则此后小球将 做什么运动？___________________________。 (2) 如果小球向上运动到达B点时，一切外力突然消失，则此后小球 将做什么运动？_______________________。 练. （1）水平地面上的物体A，从3米/秒开始，向右做减速运动，当它 减小至1米/秒时，若所有的力都同时消失，则物体A将如何运动？ _________________________________。 （2）物体B静止在水平地面上，若所有的力都同时消失，则物体B将如何运动？ _______________________。 例3.小球A静止放在光滑车厢底板上（设车厢底板足够长），如图 所示．当车厢受到水平向右的力F作用时，车厢从静止开始在 水平地面上作速度越来越大的直线运动。则此运动过程中，请 确定小球A对地的运动情况，并写出分析过程。 A
基于运动规划的惯性导航系统动态实验 GAGGAGAGGAFFFFAFAF
二零一三年六月十日 实验4.1 惯性导航系统运动轨迹规划与设计实验一、实验目的 为进行动态下简化惯性导航算法的实验研究，进行路径和运动状态规划，以验证不同运动状态下惯导系统的性能。通过实验掌握步进电机控制方法，并产生不同运动路径和运动状态。 二、实验内容 学习利用6045B 控制板对步进电机进行控制的方法，并控制电机使运动滑轨产生定长运动和不同加速度下的定长运动。 三、实验系统组成 USB_PCL6045B 控制板（评估板）、运动滑轨和控制计算机组成。 四、实验原理 IMU安装误差系数的计算方法 GAGGAGAGGAFFFFAFAF
USB_PCL6045B 控制板采用了USB 串行总线接口通信方式，不必拆卸计算机箱就可以在台式机或笔记本电脑上进行运动控制芯片PCL6045B 的学习和评估。 USB_PCL6045B 评估板采用USB 串行总线方式实现评估板同计算机的数据交换，由评估板的FIFO 控制回路完成步进电机以及伺服电机的高速脉冲控制，任意 2 轴的圆弧插补，2-4 轴的直线插补等运动控制功能。USB_PCL6045B 评估板上配置了全部PCL6045B 芯片的外部信号接口和增量编码器信号输入接口。由 USB_PCL6045B 评估测试软件可以进行PCL6045B 芯片的主要功能的评估测试。 GAGGAGAGGAFFFFAFAF
图4-1-1USB_PCL6045B 评估板原理框图如图4-1-1 所示，CN11 接口主要用于外部电源连接，可以选择DC5V 单一电源或DC5V/24V 电源。CN12 接口是USB 信号接口，用于USB_PCL6045B 评估板同计算机的数据交换。 USB_PCL6045B 评估板已经完成对PCL6045B 芯片的底层程序开发和硬件资源与端口的驱动，并封装成156 个API 接口函数。用户可直接在VC 环境下利用API 接口函数进行编程。 五、实验内容 GAGGAGAGGAFFFFAFAF
哈工大导航原理大作业-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
《导航原理》作业 (惯性导航部分)
一、题目要求 A fighter equipped with SINS is initially at the position of ?35 NL and ?122 EL,stationary on a motionless carrier. Three gyros X G ,Y G ,Z G ,and three accelerometers, X A ,Y A ,Z A are installed along the axes b X ,b Y ,b Z of the body frame respectively. Case 1:stationary onboard test The body frame of the fighter initially coincides with the geographical frame, as shown in the figure, with its pitching axis b X pointing to the east,rolling axis b Y to the north, and azimuth axis b Z upward. Then the body of the fighter is made to rotate step by step relative to the geographical frame. (1) ?10around b X (2) ?30around b Y (3) ?50-around b Z After that, the body of the fighter stops rotating. You are required to compute the final output of the three accelerometers on the fighter, using both DCM and quaternion respectively,and ignoring the device errors. It is known that the magnitude of gravity acceleration is 2/8.9g s m =. Case 2:flight navigation Initially, the fighter is stationary on the motionless carrier with its board 25m above the sea level. Its pitching and rolling axes are both in the local horizon, and its rolling axis is ?45on the north by east, parallel with the runway onboard. Then the fighter accelerate along the runway and take off from the carrier. The output of the gyros and accelerometers are both pulse numbers,Each gyro pulse is an angular increment of sec arc 1.0-,and each accelerometer pulse is g 6e 1-,with 2/8.9g s m =.The gyro output frequency is 10 Hz,and the accelerometer ’s is 1Hz. The output of gyros and accelerometers within 5400s are stored in MATLAB data files named gout.mat and aout.mat, containing matrices gm of 35400? and am of 35400? respectively. The format of data as shown in the tables, with 10 rows of each matrix selected. Each row represents the out of the type of sensors at each sample time.
基于Kinect的动作捕捉系统设计与实现 动作捕捉技术在电影特效制作、电脑动画制作、游戏制作、运动分析等领域发挥着重要作用。传统的动作捕捉系统存在价格昂贵、穿戴复杂、实时性差、对环境要求高等问题，很难被广泛应用。随着技术的创新，微软推出了无标记动作捕捉设备Kinect，该设备依靠低廉的价格和先进的骨骼跟踪算法有效地解决了以上问题，从而得到了广泛的应用。 现有的基于Kinect的动作捕捉系统普遍存在着运动数据抖动、骨骼数据关节缺失、动作数据无法复用等不足。针对上述问题，本文主要研究以下内容：优化Kinect骨骼动作数据；将优化后的动作数据重定向到三维人物模型，驱动模型模仿真人的动作；录制并保存动作脚本。在此基础上，设计并实现了基于Kinect的动作捕捉系统。 首先，本文概述了动作捕捉技术与动作重定向技术国内外发展现状，通过分析各种动作捕捉系统的优缺点，分析了系统需求，在此基础上提出了基于Kinect 的动作捕捉系统的总体方案。根据MVC设计模式，将系统分为数据采集层、数据交互中间件、数据处理层和UI界面层，其中数据处理层是系统的关键部分，包括骨骼数据优化模块、动作重定向模块和动作录制模块。 然后，针对目前基于Kinect的动作捕捉系统存在的问题，本课题对人体单关节修复算法进行了改进，提出了丢失关节修复算法，以解决连续丢失多个关节点的问题；提出骨骼动作平滑处理算法，以解决肢体末端关节抖动问题；使用基于正向运动学重定向算法，以解决模型驱动问题；研究DAE模型结构，为录制动作脚本的实现提供理论依据。 其次，本文详细设计并实现了系统功能，包括用户界面、Kinect数据获取模块、骨骼数据优化模块、动作重定向模块、可视化模块和运动录制模块。 最后，为验证基于Kinect的动作捕捉系统的可行性和正确性，对本文所做工作进行了测试和分析。测试结果表明，本文所做工作符合预期目标。
牛顿第一定律和惯性
牛顿第一定律和惯性习题 1、根据牛顿第一定律可知（） A.物体运动状态改变时，一定受到外力的作用 B.物体若不受外力的作用，一定处于静止状态 C.运动的物体若去掉外力作用，物体一定慢慢停下来 D.物体的运动是依靠力来维持的和 2、下列实例中，属于减少惯性的不利影响的是（） A.跳远运动员跳远时助跑 B.劳动时，斧头松了，把手柄的下端撞击树墩，使斧头被套牢 C.小型汽车驾驶员驾车时必须系好安全带 D.用力拍打刚晒过的被子使灰尘落下 3、在探究阻力对物体运动的影响时，发现水平面的粗糙程度会影响小车运动的距离，水平面越光滑，小车运动距离越远，在此基础上通过科学推理得到了牛顿第一定律?以下物理问题所采用的研究方法与此相同的是（） A.探究动能跟哪些因素有关 B.通过墨水的扩散现象研究分子的运动 C.用磁感线描述磁场 D.真空不能传声
A. C. 都是小车突然减速时发生的 B. 都是小车突然加速时发生的图甲是小车突然减速时发生的 D. 图乙是小车突然减速时发生的 4、如图甲、乙所示是小车载着木块向右运动过程中发生的现象，下列判断正确的是（） 阳0
5、如图所示，在车厢中的 a 是用绳拴在底部上的氢气球， b 是用绳挂在车厢顶的金属球，开始时它们和车一起向右 作匀速直线运动，若忽然刹车使车厢作匀减速运动，则下列几个图能正确表示刹车期间车内的情况是（ 6、对生括中一些惯性现象的解释: ① 水平公路上行驶的汽车关闭发动机后还能继续行驶一段距离?是因为汽车具有惯性; ② 跳远运动员跑起跳，是为了增大惯性； ③ 小汽车配置安全气囊，可以减小惯性带来的危害； ④ 抛岀去的实心球还会在空中运动一段时间，是因为实心球受到惯性力的作用. 以上四种说法中正确的是（ ） 7、下列四幅图中，属于利用惯性的 A. 在草坪上滚动的足球，滚动得越来越慢，是由于它的惯性越来越小 B. 高速行驶的汽车即使紧急刹车也要滑行一段距离后才能停下来，这是因为速度越大惯性越大 C. 跳远运动员助跑起跳，是为了利用他自身的惯性来提高成绩 D. 推岀去的铅球能在空气中飞行，是因为铅球受到了惯性力的作用 9、.如图2所示的四种情景中，为了预防惯性造成危害的是 （ ） A. 跳远前的助跑 B.溜冰时脚向后蹬地 C.锤头松了撞击锤柄 A ? 只有①② B 只有①③ C 只有②③ D ?只有①④ 8、下列关于惯性的说法中正确的是 ' D.司机系安全带 是 盘山公跑 透柄檯击木凳 拦河大坝 锤头套贤 挥杆跳高运动员褪 杆上升过程中 D
实 验一 陀螺仪关键参数测试与分析实验 加速度计关键参数测试与分析实验 二零一三年五月十二日 实验一陀螺仪关键参数测试与分析实验 一、实验目得 通过在速率转台上得测试实验,增强动手能力与对惯性测试设备得感性认识；通过对陀螺仪测试数据得分析,对陀螺漂移等参数得物理意义有清晰得认识,同时为在实际工程中应用陀螺仪与对陀螺仪进行误差建模与补偿奠定基础。 二、实验内容 利用单轴速率转台,进行陀螺仪标度因数测试、零偏测试、零偏重复性测试、零漂测试实验与陀螺仪标度因数与零偏建模、误差补偿实验。 三、实验系统组成 单轴速率转台、MEMS 陀螺仪(或光纤陀螺仪)、稳压电源、数据采集系统与分析系统。
四、实验原理 1.陀螺仪原理 陀螺仪就是角速率传感器,用来测量载体相对惯性空间得角速度，通常输出与角速率对应得电压信号。也有得陀螺输出频率信号(如激光陀螺）与数字信号（把模拟电压数字化)。以电压表示得陀螺输出信号可表示为: (1-1）式中就是与比力有关得陀螺输出误差项，反映了陀螺输出受比力得影响,本实验不考虑此项误差。因此，式（１－１）简化为 (１-2）由（１－2）式得陀螺输出值所对应得角速度测量值: (1－3) 对于数字输出得陀螺仪,传感器内部已经利用标度因数对陀螺仪模拟输出进行了量化,直接输出角速度值,即： （１－4）就是就是陀螺仪得零偏，物理意义就是输入角速度为零时，陀螺仪输出值所对应得角速度。且 (１-5) 精度受陀螺仪标度因数、随机漂移、陀螺输出信号得检测精度与得影响。通常与表现为有规律性,可通过建模与补偿方法消除,表现为随机特性,可通过信号滤波方法抵制。因此，准确标定与就是实现角速度准确测量得基础。 五、陀螺仪测试实验步骤 1)标度因数与零偏测试实验 ａ、接通电源，预热一定时间; b、陀螺工作稳定后，测量静止情况下陀螺输出并保存数据;
波音737—800飞机飞行模型建立实验 学院：航空自动化 专业：导航制导与控制
1 实验目的 根据飞机所提供的QAR数据，把飞机的飞行过程分为几个阶段，通过受力分析计算得出飞机在各阶段的各个时刻的地速以及飞机当时所处的地球经纬度。这之后，再把计算出来的这些数据与QAR里面的相对应的数据进行比较，得出数据误差。使我们对飞机各阶段的机体受力分析得到验证，最后确定飞机的整个飞行过程的模型。 2 实验内容 分析所得的QAR数据，根据QAR数据对飞机的飞行过程进行分阶段处理。然后查找相关资料，对飞机在飞行各阶段过程中进行受力分析。进而用MATLAB软件编写程序，计算出飞机各个阶段的地速和地球经纬度。最后把计算出来的数据和QAR里相应的数据作比较，用MA TLAB画出比较曲线图，得出计算误差，建立起飞机的飞行过程模型。在整个实验过程中要修学的课程有：《大气数据应用分析》、《导航原理与系统》、《飞机的飞行性能》、《惯性导航原理》、《MATLAB应用与编程》等等。
3 实验步骤 3.1 QAR数据分析 QAR数据分析 数据英文数据意义和用途所用仪表备注 1 东经Present Position Longitude 由0°本初子午线向东、西递增到180°导航仪 2 北纬Present Position Latitude 赤道向北递增到90°导航仪 3 磁航向Heading Magnetic 飞机纵轴在地平面上的投影，与磁子午线的 夹角（磁北顺时针转的夹角）。磁偏角：地 球表面任一点的磁子午圈同地理子午圈的夹 角。 磁罗盘上 有罗差修 正器，已经 抵消罗差， 所以磁罗 盘测的基 本就是磁 航向。 4 标准气压高度ALTITUDE 飞机到标准气压平面的垂直距离气压式高度表 5 左无线电高度RADIO HEIGHT Left 飞机到地面的垂直距离 无线电高 度表 6 机场标高AIR/GROUND 机场与海平面的垂直高度 7 左主起落架Left main gear air/end 起落架用于在地面停放及滑行时支撑飞机并 使飞机在地面上灵活运动，并吸收飞机运动 时产生的撞击载荷。主要用来判断飞机是否 起飞。 8 右主起落架Right main gear air/end 9 真空速Computed airspeed 飞机相对于空气的运动速度，根据空速可计 算地速，从而确定已飞距离和待飞时间。 空速表0.5~1.0 10 马赫数MACH 真空速与飞机所在高度的音速之比，当飞机 的M数超过临界M数时，飞机的空气动力特 马赫数表0.5~1.0